Reset observers and temperature control for induction hobs

Paesa García, David
Sagüés Blázquiz, Carlos (dir.) ; López Nicolás, Gonzalo (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2011
(Informática e Ingeniería de Sistemas)


Abstract: En la actualidad, la tecnología de calentamiento por inducción se encuentra lo suficientemente consolidada como para que resulte difícil encontrar diferencias notables entre las encimeras de inducción de los distintos fabricantes. Todos ellos presentan modelos con similares características electrónicas: potencia máxima suministrable, número y diámetro de los fuegos, disposición de los mismos, etc. Es por ello, que resulta indispensable encontrar nuevos elementos diferenciadores entre las distintas cocinas, que supongan un progreso en el estado del arte y que resulten en una mejora cualitativa y cuantitativa del sistema. Con este objetivo, se aborda la ambiciosa tarea de desarrollar una cocina de inducción doméstica que permita al usuario controlar directamente la temperatura del recipiente en lugar de la potencia suministrada al mismo. Controlando correctamente la temperatura del recipiente se aseguran las siguientes ventajas: • Para el usuario: se aumenta la seguridad, ya que se impide alcanzar temperaturas peligrosas. Se incrementa el rendimiento, ya que se minimiza el consumo de energía. Además se facilita el proceso de cocinado, ya que la propia cocina advierte al usuario cuando el recipiente alcanza la temperatura deseada. • Para los recipientes: al controlar su temperatura se impide que su recubrimiento antiadherente se estropee, aumentando su durabilidad. • Para los fabricantes de cocinas domésticas: permite obtener un elemento diferenciador para sus productos frente a sus competidores. Al controlar la temperatura del recipiente, se controla también la temperatura que puede alcanzar la superficie de cocción. Por lo que se podrían emplear materiales de bajo coste como el vidrio templado en lugar de cristal vitrocerámico. El problema del control de temperatura de recipiente se aborda desde dos puntos de vista. El primero, con un carácter marcadamente teórico, consiste en el desarrollo de algoritmos de observación que permitan estimar la temperatura de recipiente de la manera más precisa posible. El segundo, basado en una aproximación más práctica y experimental, consiste en el desarrollo de nuevos métodos de sensado que permitan disminuir la incertidumbre presente en los sensores de temperatura actualmente empleados. Inspirados por las excelentes propiedades de los sistemas de reset (en términos de tiempo de respuesta y sobreoscilación), se explora en esta Tesis la aplicabilidad de los sistemas de reset al campo de los observadores. Con este fin, se propone una definición formal de un nuevo tipo de observador: el observador de reset. Posteriormente, se evalúa cuál de las condiciones de reset actualmente presentes en la literatura es más adecuada para esta nueva estructura de observación. Adicionalmente, se estudia la posible generalización del observador de reset para distintas clases de sistemas, por ejemplo, sistemas con retraso, no lineales o sujetos a perturbaciones externas. Es destacable que dicho estudio no está limitado al análisis de estabilidad y convergencia, sino que incluye la síntesis automática de los parámetros del observador de reset. Antes de comprobar la aplicabilidad de los observadores de reset en el control de tempertura de recipiente, se hace un importante esfuerzo para determinar cuál es el sensor de temperatura más adecuado para cada proceso de cocinado. Con este objetivo, no sólo se desarrollan nuevos sensores de temperatura sino que además cada nueva propuesta se compara con los sensores existentes, en términos de robustez, tiempo de respuesta y coste. Una vez determinados los sensores de temperatura a emplear, se hace un desarrollo experimental para implementar los algoritmos de control y estimación propuestos en cocinas de inducción reales. Finalmente, múltiples resultados experimentales y de aplicación demuestran la aplicabilidad de los observadores de reset para el control de temperatura de recipientes en cocinas de inducción. En resumen, las principales contribuciones de esta Tesis se engloban en: • El desarrollo de algoritmos eficientes para el observador de reset que pueden ser empleados para estimar y controlar la temperatura del recipiente. Este nuevo observador, el observador de reset, resulta de la aplicación novedosa de la teoría de sistemas de reset al campo de los observadores, y puede ser extendido a una gran variedad de sistemas. Este trabajo incluye tanto el análisis de estabilidad como la síntesis de los parámetros del observador de reset. • El desarrollo de tres novedosos sistemas de sensado, que son especialmente adecuados para medir la temperatura del recipiente en cocinas de inducción: los contact spots, el sensor line, y el sensor magnético. Este trabajo incluye una completa comparación entre estas novedosas propuestas y otros métodos ya existentes, y concluye con la selección del sensor de temperatura más adecuado para nuestro sistema bajo estudio. • La aplicación de nuestros resultados teóricos (esto es, los observadores de reset) a una aplicación industrial real. Este trabajo incluye el diseño, ajuste y prueba de los algoritmos de control y estimación propuestos. En concreto, esta Tesis contribuye finalmente con el desarrollo de un control de temperatura de recipiente para cocinas de inducción, el cual es adecuado tanto para procesos con alta carga como para los de poca o nula carga. Además, se ilustra mediante exhaustivos experimentos el rendimiento superior de nuestras contribuciones teóricas, y su aplicabilidad al control de temperatura para cocinas de inducción.

Pal. clave: temperature measuring instruments ; control engineering ; induction heating ; instrumentos de medida de temperaturas ; ingeniería de control ; calentamiento por inducción

Knowledge area: Ingeniería de sistemas y automática

Department: Informática e Ingeniería de Sistemas

Nota: Presentado: 19 12 2011
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza

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 Record created 2014-11-20, last modified 2019-02-19


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